概述高硅球墨铸铁的研究与应用
时间：2022-02-23 阅读：945
概述高硅球墨铸铁的研究与应用
中国农业机械化科学研究院张伯明
2004 年 ISO1083/JS 球墨铸铁标准公布后，又补充了一个 ISO1083/JS/500-10 的球墨铸铁标准，把伸长率从原先的 7%提高到 10%[1]。2012 年 3 月，德国和欧洲的球墨铸铁标准 DIN EN 1563 在修改时又增加了 3 个牌号（见表 1）[2]，即大幅提高了铁素体珠光体混合基体球墨铸铁的屈服强度和伸长率，而且这些级别都可在铸态获得，不需要任何热处理。他们走的技术路线是提高成分中的硅量，强化铁素体。
表 1 D1N EN 1563 的新牌号
牌 号 | |||
EN-GJS | 450-18 | 500-14 | 600-10 |
Rm/MPa，min | 450 | 500 | 600 |
Rpo.2/MPa，min | 350（310） | 400（320） | 470（370） |
A,%, min | 18（10） | 14（7） | 10（3） |
注：括号中是原牌号的性能。
了解它们出台的背景或存在的必要性以及研究的过程，对我国球墨铸铁企业的生产、今后我国球墨铸铁标准的修改必然会有很大的帮助。
1. 研究背景
由于球墨铸铁中的石墨以球状存在，所以球墨铸铁的力学性能主要取决于基体组织[3]。铸态的球墨铸铁基体主要由铁素体与球光体组成。通常，铁素体量越多，抗拉强度越低，伸长率越高，反之亦然。球墨铸铁标准中，从 QT450 到 QT600 的各个牌号都是混合基体球墨铸铁，只是基体中两者的比例不同而已，在 30～70%之间波动。在日常生产中可用 Mn、Cu、Sn 等珠光体稳定元素的含量控制来达到某一级别的牌号。
工业发达国家具有良好的废钢资源，他们在生产灰铸铁时基本都用废钢+回炉料作原材料，走合成铸铁的道路，冲天炉熔炼是这样，电炉熔炼时也是如此，只是后者在最后要用增碳剂增碳而已。但在生产球墨铸铁时，人们发现现代的废钢中，珠光体稳定化元素的含量越来越高，Mn 的含量有时可到 0.8%以上，而且不光有 Mn，还有比 Mn 更强的元素 Cu、Cr、V 等元素的存在，这就给获得高伸长率的球墨铸铁增加了困难，从而不得不使用高质量的生铁，例如 Sorelmetal 的高纯生铁来压低这些元素在成分中的总含量。这无疑增加了生产成本， 减低了竞争力。寻找另一种技术途径，既能保证各牌号的伸长率，又能降低成本就成为铸造工作者的努力方向。
此外，450-10、500-7 是球墨铸铁中常用、产量较大的牌号。在生产中也发现，珠光体稳定元素含量的波动和铸件因壁厚不同而造成的冷却速度的不同，既使是同批次，在不同铸件的相同部位的性能也会产生很大的波动， 不同批次的铸件则波动更大。为此， ISO/JS/500-7 的硬度范围不得不规定在±30HBW，即硬度波动很大，使软硬两种同牌号的球墨铸铁机加工性能相差可高达 50%，HBW230 时的进刀量要比 HBW170 时小 0.1mm。所以寻找一种基本上是单相基体的球墨铸铁，减少硬度波动，提高球墨铸铁的机械加工性能也十分必要。
硅是铸铁中较为常用的元素。它可以强化铁素体，从而能提高铁素体的强度。但过去一直以为 Si 使球墨铸铁变脆，在 Millis1949 年申请的美国个球墨铸铁中就表述“增加Si 的含量（＞2.5%）明显降低力学性能，特别是韧性、拉伸强度和（或）延展性……”。在实际生产以及随后的研究中则发现上述表述有很大的局限性。通过研究，1998 年瑞典就规定了用(w)Si＝3.2%来生产 450 的牌号，(w)Si＝3.7%来生产 500 的牌号。瑞典 Indexator 公司进行的研究，认为“对于抗拉强度 500MPa 级别，Si 固溶强化铁素体球墨铸铁的延展性（用断后伸长率表示），是常规铁素体-珠光体球墨铸铁的两倍，同时屈服强度增加，屈服比从
0.6 增加到 0.8，冲击性能与常规铁素体-珠光体球墨铸铁相同，而疲劳性能稍优”。从而克服了前面所提的生产难点。他们称这种 Si 强化的球墨铸铁和 ADI 为第二代球墨铸铁。至今美国等已收授了 3 个用 Si 强化的球墨铸铁专项技术。芬兰等国也在生产中开始应用。
为方便其所属成员单位的生产和普及基本概念，德国铸造学会与奥地利铸造学会联手， 在德国科技中心和一些企业的资助下，对高硅球墨铸铁进行了深入的研究，并于 2012 年 11 月向会员单位汇报了工作。了解他们的研究会对我们认识和生产应用这种球墨铸铁也会有很大的帮助。
2. 研究的主要方法和结论
2.1 试验方法
在德国生产 GJS-400-18 牌号的成分上（见表 2）利用增硅来进行试验。
表 2 德国 400-18 牌号球墨铸铁的典型成分（质量分数，%）
元素 | C | Si | Mn | P | S | Mg |
含量 | 3.5～3.6 | 2.4～2.5 | 0.15～0.2 | ～0.02 | ＜0.009 | ～0.04 |
使用加拿大 Sorel 生铁 60%，废钢 40%，增硅是用 FeSi90，出铁温度 1520～1550℃， 浇注温度 1380～1390℃。用盖包法进行球化处理，球化剂为 Elmag 公司的 6039，FeSiMg5～ 6，用不同成分的孕育剂 0.3%孕育。
在增 Si 试验时，保持 Mn、P、S、Mg 不变。而 C 量则随 Si 量增加而减低，使共晶饱和度 Sc 接近 1。试验时 Sc 按下式计算：
Sc=C/(4.26－0.31Si－0.33P－0.4S＋0.027Mn)
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图 1 试验用试块
图 1 是试验用试块的两种样式。
2.2 试验结果
图 2 显示了 Si 对抗拉强度的影响，在 w(Si)=4.3%时，抗拉强度达到了大值。
图 2 Si 量对抗拉强度的影响
Si 量增加对屈服极限的影响如图 3 所示，即大屈服值的 Si 量不在 4.3%，而在 4.7% 左右。图 4 则是硅量对断后伸长率的影响，在 Si 量超过 4.3%后，伸长率急剧减少。而 Y 铸样上的硬度则随 Si 量的增加而一直增加（见图 5）。图 6 的 a)、b)、c)显示了 4 种牌号球墨铸铁性能随温度升高而出现的变化。其新增的 3 个牌号与原先 500-7 的变化形式是一致的， 即 400℃对于球墨铸铁的各项性能都是个较大的转折点。
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图 3 Si 量对屈服强度的影响
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图 4 Si 量对断后伸长率的影响
图 5Si 量对硬度的影响
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图 6 4 种牌号球墨铸铁性能随温度升高而出现的变化
图 7 是冲击试验的结果。几种牌号在不同温度下有不同的冲击力，但可以看到它们的变
化趋势，尤其是室温以下的变化趋势是一样的。新增的三种牌号与 500-7 无多大区别，即无特变的规律出现。
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图 7 不同温度下的冲击性能对比
现在的废钢含有较多的珠光体稳定元素与碳化物形成元素，为此在试验中安排了添加Mn、Cr、V 的试验。图 8～图 10 是试验结果。结果表明，在 Si 强化铁素体后的球墨铸铁中加入的合金元素对抗拉强度、屈服强度不起作用，对于断后伸长率也基本不起作用，只有在Cr 的质量分数到 0.6%时，才使伸长率降低。
图 8 合金元素对抗拉强度的影响 | |
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图 9 合金元素对屈服强度的影响
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图 10 合金元素对断后伸长率的影响
图11～图14 列出了几种典型成分的金相组织。可以看到，由于Si 的强化，直至GJS600-10
的牌号基本上都是铁素体。
图 11 Y2 试样金相组织
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图 12 Y2 试样金相组织（约 5%珠光体）
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图 13 Y2 试样金相组织（约 25%珠光体）
图 14 两种途径时不同组织
图 15～图 19 展示了孕育技术对石墨形状的影响。在德国把石墨形状分为 5 级。球墨铸铁要求Ⅴ+Ⅳ级的石墨比例大于 80%，力争 85%以上。一般企业都在 90%左右。图 15 表明不同孕育剂效果*不同。图 16 和图 17 是两种孕育剂在不同 Si 量时的孕育效果。图 18 是在 1#孕育剂加 Bi 后的情况，少量的 Bi 有明显效果，而太多了也不见得更好。图 19 的示意图部分充分表明硅量增加后要求有相应的孕育剂和孕育方法。
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图 15 不同孕育剂对石墨形状的影响（翼型试样）
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图 16 1#孕育剂对石墨形状的影响
图 17 2#孕育剂对石墨形状的影响
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图 18 Bi 对石墨形状的影响(翼型试样)
图 19 孕育对石墨形状影响的示意图
图 21 不同硅量的充型能力
为了能了解实际应用时会产生的问题，试验中也包括了铸造性能与金属切削加工性能的比较。图 21 是充型能力或流动性的试验结果，结果表明，充型能力仅取决于浇注温度，而与硅量无关。
用图 22 的试样，验证不同含硅量对产生缩孔缩松的影响。图 23 的结果表明，硅量对缩松也没有影响。
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图 22 补缩能力用试样
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图 23 补缩试验结果
用 REM/WDX（X 线波谱仪）对增硅后，硅锰在基体中的偏析进行了检测。发现球墨铸铁基体中基本没有宏观偏析，在两个石墨球之间有微观偏析，硅在石墨球处聚集。低硅与高硅的球墨铸铁的规律是一样的（见图 24、25），但随硅量的增加，硅的偏析减少（见图 26），锰的偏析增加（见图 27）。
图 24 2.39%Si 时两石墨球之间的偏析
图 25 5.0%Si 时两石墨球之间的偏析
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图 26 Si 量增加时偏析值的变化
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图 27 Si 量增加时，Mn 偏析值的变化
试验中没有发现，硅量提高会增加开花状石墨的趋势。图 28、29 是用高硅生产的 600-10
球墨铸铁的断裂断面，*是正常的晶间断裂（图 28）与穿晶断裂（图 29）。
研究了增硅后，硅高时α→γ的相变（图 30）。发现硅高后相变温度也提高，在相变时
没有任何脆相出来。
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图 28 4.18%Si，Rm=609MPa，Rp0.2=497MPa，A5=20.9%的断裂表面
新铸造材料能否推广应用还必须看其有否良好的切削性能。用镀 Ti（C,N）/Al2o3 的HC-K05 刀具进行了车削试验。刀具参数是 Kr=95°， α0=6°，γess=-1°,λ0=-6°；切削参数是 f=0.55mm，δp=0.5mm，用 8%的切削液。切削速度再 240m/min 时，500-7 与 500-14， 600-3 与 600-10 的对比如图 31 所示，刀具寿命（磨损 200μm）要长 60%以上。
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图 29 4.40%Si，Rm=636MPa，Rp0.2=503MPa，A5=16.9%的断裂表面
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图 30 高硅球墨铸铁的相变曲线
图 31 切削速度 240m/min 的刀具寿命对比
图 32 是两种切削速度下的切削性能对比。GJS500-14 要优于 500-7。图 33 则是实际铸件，300kg 重的行星齿轮架的切削对比，可以看出 GJS-600-10 要比 GJS-600-3 要好。
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图 32 切削性能对比
图 33 实际铸件
图 34～图 36 表示了两种材质在实际铸件上的本体性能情况。GJS-600-3 基本上是珠光体基体硬度要比高硅的 GJS-600-10 要高 6～8HBW，因后者基本都是 Si 强化了的铁素体。同时本体抗拉强度和硬度受铸件壁厚的影响很小或没有。
图 34 铸件上硬度分布对比
图 35 本体取样位置
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图 36 本体性能对比
2.3 生产中要注意的问题
通过试验，报告人提请大家在应用时要注意以下几点：
·要优化孕育技术。孕育剂的化学成分要和铸件中硅的总量和铸件主要壁厚相匹配；
·要确保直读光谱仪的试样是白口组织（减薄或注意金属模结构），否则分析会出错；
·为确保铸件质量的均一性与稳定性，直读光谱仪必须要校正到和相应的硅量匹配；
·注意硅量应包括三个部分：配料、球化处理及孕育处理中的硅量总和。
3. 高硅球墨铸铁的优缺点与应用
根据德国的研究报告和本人同德国公司的座谈，可以归纳用 Si 合金化了的球墨铸铁与原先的混合基体球墨铸铁相比有如下优点：
·高硅球墨铸铁有更好的力学性能组合（抗拉强度、屈服极限以及高的伸长率），可使设计人员减少铸件壁厚，从而减轻铸件重量；
·铸件本体中硬度与抗拉强度分布均匀；
· 基体基本上都是铁素体，铸件的硬度范围窄，切削性能好，刀具寿命长，降低机械加工成本；
·铸件模样不需要任何变动。但因韧性的提高，必须在内浇口及冒口颈处进行相应修改， 否则在打浇冒口时会损害铸件造成铸件缺肉；
·可以放宽化学成分中珠光体稳定元素和碳化物形成元素的含量。从而可以放心使用大量的废钢，降低生产成本。
4.高硅球墨铸铁也存在有一些缺点：
·生产 GJS-600-10 的窗口比较小，即 Si 要严格控制在 4.3%以下；
·铸件表面至今还无法硬化；
·焊接性能差；
·高硅铁素体的冲击性能不如低硅铁素体的好。
德国某铸造厂每年生产 22000t 球墨铸铁件，大部分是球墨铸铁管件，少量有机车、卡车及风电铸件。过去生产 GJS-500-7 使用的成分是 Si1.9～2.1%，C3.6%，为控制住 Mn 等元素的含量使用 10%～15%的生铁，现在提高硅至 3.4%～3.5%，碳在 3.0%左右，使用 废钢及切屑，可在保证质量情况下，每吨铸件降低 25 欧元，即 200 元人民币（德国切屑 150
欧元/t，废钢 340 欧元/t，生铁 435 欧元/t）。过去他们生产的 500-7 含珠光体量约 80%，现在仅 5%左右。对于他们的铸件（壁厚在 6～20mm）使用的是含 Zr 孕育剂，加入量为 2%。对于 GJS-600-10 的生产，他们的经验是控制 Si 在 3.8%以上就可以。
大型卡车上的离合器板（Kupplungsplatte），在中国使用铸钢制造，德国 Jose 公司在 25年前就应用球墨铸铁制造。现在他们正应用高硅球墨铸铁做试验，静载试验已过，也通过了德国跑车试验，现正组织低温跑车试验。
参考文献
1. Larker Richard. 固溶强化铁素体球墨铸铁. [J]. 铸造，2010（6）：622-627.
2. Herbert Loeblich. Grundlagen der Herstellung and Anwendung von hochsiliziumhaltigem Gusseisen mit Kugelgraphit. Vortrag in Giessereitagung Deutschland. 2012.11.23.
3. 张伯明主编.铸造手册：第 1 卷铸铁[M]，3 版.北京：机械工业出版社，2011.
4. Herbert Loeblich.usw. Hoch siliciumhaltiges Gusseisen mit Kugelgraphit toleriert groessere Anteile an carbidbildenden Elementen. Giesserei[J],99,2012.04.28-32.